Die neuen Klimaschutz-Ziele, die der Bundestag im Sommer 2021 beschlossen hat, erfordern auch im Verkehr ein schnelles Handeln. Die Ziele werden überwiegend durch den Wechsel auf batteriebetriebene Fahrzeuge erreicht werden können. Das Fraunhofer ISI hat erstmals die Auswirkungen der neuen deutschen Klimaziele auf alternative Antriebe detaillierter analysiert.

»Rein elektrisch angetriebene Fahrzeuge stehen heute schon in großem Umfang kommerziell zur Verfügung und stellen die energieeffizienteste Lösung dar«, erklärt Prof. Dr. Martin Wietschel, Leiter des Competence Centers Energietechnologien und Energiesysteme.

Batteriebetriebene Fahrzeuge (Battery electric vehicles, BEV) weisen den Berechnungen zufolge schon mit dem heutigen Strommix die geringsten Treibhausgasemissionen (THG) auf. Bei einem 2020 erworbenen Stromer halbieren sich die THG-Emissionen gegenüber einem Benziner. Mit einem steigenden Anteil Erneuerbarer Energien im Strommix wird dieser Vorteil 2030 sogar fast 60 Prozent betragen. Selbst, falls die Ziele im Stromsektor nur teilweise erreicht werden sollten, schneiden BEV und auch Plug-In-Hybride (PHEV) immer noch besser ab als Benzin- oder Dieselfahrzeuge.

PHEV können zwar kurzfristig zur Senkung von THG-Emissionen beitragen, wenn sie einen nennenswerten Teil ihrer Fahrten elektrisch zurücklegen (mindestens 40 Prozent). Da sie aber mittel- und langfristig zur Erreichung der Klimaziele auch mit synthetischen Kraftstoffen betrieben werden müssen, sind sie eher als Brückentechnologie zu bewerten.

Mittelfristig haben auch andere alternative Antriebstechnologien Potenziale zur Einsparung von Treibhausgasen während der Fahrzeugnutzung: so beispielsweise Biokraftstoffe aus nachwachsenden Rohstoffen, Wasserstoff-Brennstoffzellen oder synthetische, strombasierte Kraftstoffe, sofern für ihre Produktion ausschließlich oder überwiegend Erneuerbare Energien eingesetzt werden. Die ökologische Bewertung der Antriebstechnologien erfolgte unter Beteiligung des ifeu – Institut für Energie- und Umweltforschung Heidelberg.

Um eine Aussage über die Zukunftsfähigkeit dieser Technologien treffen zu können, ist neben der ökologischen Betrachtung jedoch auch eine wirtschaftliche Untersuchung notwendig.

Wie wirtschaftlich sind die unterschiedlichen Antriebstechnologien?

Neben der Ökobilanz der verschiedenen Antriebstechnologien haben die Expert:innen am Fraunhofer ISI deshalb auch deren Wirtschaftlichkeit untersucht. Entsprechend dem Total-Cost-of-Ownership-Ansatz haben sie hierfür alle Kosten für Anschaffung und Nutzung eines Pkws aus volkswirtschaftlicher Sicht berücksichtigt.

Auch hierbei erweisen sich BEV kurz-, mittel und langfristig als günstigste nachhaltige Option. Sie bleiben auch dann gegenüber anderen alternativen Antrieben wirtschaftlich vorteilhaft, wenn man unterstellt, dass nach der Hälfte der Nutzungszeit die Batterie ersetzt werden muss.

Synthetische strombasierte Kraftstoffe für Verbrennungsmotoren sind den Berechnungen zufolge wegen der hohen Kraftstoffkosten weder heute noch in absehbarer Zukunft wirtschaftlich, zudem fehlen sie im Markt vollständig. Auch Brennstoffzellenfahrzeuge stehen derzeit kaum zur Verfügung. Sie sind sehr teuer und haben nur begrenzte THG-Einsparpotenziale. Nach Ansicht der Forschenden können sie allerdings langfristig (nach 2030) eine Ergänzung zu Batteriefahrzeugen bei großen und schweren Fahrzeugen mit hohen Reichweitenanforderungen darstellen.

Biokraftstoffe können zu vergleichsweise günstigen Kosten zur Senkung der Treibhausgase bei Pkw beitragen. Allerdings ist nachhaltige Biomasse mengenmäßig deutlich beschränkt. Sie wird außerdem für andere Anwendungen wie den internationalen Flugverkehr benötigt. Biokraftstoffe bei Pkw sind somit eher als Überganslösung zu sehen.

Alle untersuchten alternativen Antriebstechnologien weisen im Herstellungsprozess noch einen hohen ökologischen Rucksack und damit signifikante THG-Minderungspotenziale auf. Elektroautos, Plug-In-Hybride und Wasserstoffautos sind im Vergleich zu konventionellen Fahrzeugen besonders kritisch beim Ressourcenverbrauch von beispielsweise Lithium, Kobalt oder Platingruppenmetallen. Deswegen bedarf es der Entwicklung von Substitutions- und Recyclingverfahren.

Wie ist die deutsche Automobilindustrie für die Verkehrswende aufgestellt?

»Auf der ganzen Welt zeigt sich hier bereits seit mehreren Jahren ein starkes Wachstum bei Patent- und Markenanmeldungen im Bereich der alternativen Antriebstechnologien«, bilanziert Dr. Luisa Sievers, wissenschaftliche Mitarbeiterin am Fraunhofer ISI. »Die deutsche Automobilindustrie nimmt dabei eine Führungsrolle ein, die es aktiv zu bewahren gilt.«

Deutschland steht über einen Zeitraum von fast 15 Jahren in allen Kategorien von nachhaltigen Antriebstechnologien und von Digitalisierung an erster Stelle der Markenanmeldungen am Amt der Europäischen Union für geistiges Eigentum (EUIPO). Beim autonomen Fahren verzeichnen zwar die USA die meisten Patentanmeldungen. Zählt man aber auch Technologien für das assistierte Fahren hinzu, steht Deutschland über den gesamten Betrachtungszeitraum 2005 bis 2017 an erster Stelle.

Insgesamt sind die traditionellen Automobilnationen Japan, Deutschland und USA führend in der Technologieentwicklung. Insbesondere in der jüngeren Vergangenheit zeigt sich jedoch eine zunehmende Dynamik hinsichtlich beteiligter Regionen und Firmentypen. Länder wie China oder Korea und Unternehmen der Informations- und Kommunikationstechnologien nehmen wachsende Anteile ein.

Die durch die Patentanalyse nahegelegte Technologieführerschaft Deutschlands wird bei der vergleichenden Betrachtung der Anteile von BEV am Absatz der Hersteller bisher nicht klar sichtbar. Der Anteil von BEV am Pkw-Absatz ist, neben Tesla, insbesondere bei chinesischen Herstellern sehr hoch. Andererseits erreichen die deutschen Hersteller bei BEV bereits ähnlich hohe Weltmarktanteile wie bei Autos mit Verbrennungsmotor. Bei Plug-In-Hybriden sind sie führend, hier spielen die deutschen Hersteller BMW und Daimler eine wichtige Rolle.

Aus dem zuletzt stark gestiegenen Absatz von BEV und PHEV in Deutschland schließen die Forschenden des Fraunhofer ISI, dass die Förderpolitik greift und fortgesetzt werden sollte. Allerdings handelte es sich bei etwa der Hälfte der 2020 in Deutschland abgesetzten elektrisch betriebenen Fahrzeuge um Plug-In-Hybride. Die Schwerpunktsetzung der Förderung sollte kurz- bis mittelfristig in Richtung BEV verlagert, der sinnvolle Einsatz von PHEV auf ihre Funktion als Übergangstechnologie beschränkt und die Anreizsetzung für den Anteil elektrischen Fahrens mit PHEV verbessert werden.

Als konkrete Handlungsoptionen haben die Expert:innen beispielsweise die Stärkung der technologischen Wettbewerbsfähigkeit im Bereich der Batterien sowie die Ansiedlung einer Batteriezellproduktion identifiziert. Um langfristig wettbewerbsfähig zu bleiben, sollten Unternehmen möglichst an allen zentralen Wertschöpfungsstufen der alternativen Antriebe aktiv beteiligt sein – insbesondere Batterien, Elektromotoren und Leistungselektronik. Im Kontext des autonomen Fahrens gilt dies insbesondere für die Entwicklung von Informations- und Kommunikationstechnologien, die Vernetzung von Fahrzeugen und begleitende Geschäftsmodelle. Deutschland muss seine Anstrengungen verstetigen und ausweiten, um seine führende Rolle als Technologiestandort zu bewahren.

Neben dem beschleunigten Ausbau der Ladeinfrastruktur halten die Forschenden insbesondere die Entwicklung einer strategischen Gesamtkonzeption autonomer Mobilität für notwendig. Diese sollte auch die Nachhaltigkeit des Mobilitätssystems explizit berücksichtigen, zum Beispiel mittels Sharing-Modellen.

Das Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung ISI analysiert Entstehung und Auswirkungen von Innovationen. Wir erforschen die kurz- und langfristigen Entwicklungen von Innovationsprozessen und die gesellschaftlichen Auswirkungen neuer Technologien und Dienstleistungen. Auf dieser Grundlage stellen wir unseren Auftraggebern aus Wirtschaft, Politik und Wissenschaft Handlungsempfehlungen und Perspektiven für wichtige Entscheidungen zur Verfügung. Unsere Expertise liegt in der fundierten wissenschaftlichen Kompetenz sowie einem interdisziplinären und systemischen Forschungsansatz.